BOUR Ivan

Laboratoire Biogéosciences Université de Bourgogne

Qu’est-ce que les

évaporites ? Les évaporites sont des sédiments

chimiques composés de minéraux qui

cristallisent à partir des substances

dissoutes dans les eaux de surface et

concentrées par évaporation.

Les solutions mères peuvent être d’origine marine, continentale ou mixte.

Les minéraux évaporitiques précipitent, soit directement à partir des eaux

libres du bassin, soit à partir des solutions interstitielles au cours de la

diagenèse précoce ou tardive.

Les évaporites peuvent aussi bien se déposer au niveau des :

• Ceintures tropicales chaudes et arides (Altiplano de Bolivie).

• zones subtropicales arides et chaudes (Mer Morte, lagunes du sinaï,

lacs salins du sud des Etats-Unis).

• Régions polaires (Arctique, Groenland, Sibérie, Antarctique).

•Dans les eaux marines, on a jusqu’à 30 à 35 ppm de divers sels

EVAPORITES CONTINENTALES Ces dépôts s'accumulent dans des lacs endoréiques en région aride ou semi-aride. La minéralogie de ces évaporites est relativement variable puisqu'elle dépend de la composition des eaux fluviales, elle-même dépendante de la géologie régionale.

EVAPORITES MARINES PEU PROFONDES Ces évaporites comprennent les dépôts inter- et supratidaux comparables à ceux qui se forment actuellement le long du Golfe Persique, de certaines zones de la côte d'Afrique du Nord, etc. et les dépôts subtidaux de plate-forme.

Les différents minéraux d’une séquence évaporitique

Les différents minéraux d’une séquence évaporitique

Exemple de répartition des différents sels évaporitique au sein d’une lagune littoral épisodiquement isolé du domaine marin

Diagenèse des évaporites Sulfates chlorures carbonates

Ca, Mg et K

Na

EAU DE MER • Salinité = 34,5 ‰ • Chlorinité = 19 ‰ • pH = 8

Ions g/l % poids total

Na 10,55 30,6 Mg 1,27 3,7 Ca 0,40 1,1 K 0,38 1,9 Sr 0,03 - Cl 18,98 55 SO4 2,65 7,7 HCO3 0,14 0,4 Br - - F - -

La composition de l’eau de mer est dominée par le chlore et le sodium qui représentent plus de 85% du poids total de substances dissoutes de l’eau de mer. La halite est donc un composant dominant.

Précipitation

+

-

Chlorures

Sulfates

Carbonates

Ordre de cristallisation des différents sels

Ordre de cristallisation des sels lors de l’évaporation de l’eau de mer: s’établie en fonction de la concentration croissante de la solution et de la solubilité croissante des phases minérales. La concentration de la solution est associée à une réduction croissante du volume initial du liquide et une augmentation de sa densité (d’après Rouchy, 1995).

80% DE LASOLUTIONEVAPOREE

90% DE LASOLUTIONEVAPOREE

98% DE LASOLUTIONEVAPOREE

EAU DE MER

S = 34.5‰D = 1.026

S = 130‰D = 1.12

S = 300‰D = 1.22

S > 350‰D > 1.30

1 2 3 4

PRECIPITATIONDU GYPSE

PRECIPITATIONDE LA HALITE

PRECIPITATIONDES SELS

DE K ET MG

Pas de lien direct entre quantité et solubilité

Les minéraux d’une séquence évaporitique :

400

200

300

100

0 1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

0 5 10 20 30 40 50 6 0 70 80 90

Pourcentage d'eau évaporée

Facteur de concentration de la solution x

80 90 98

SALINITE

DENSITE

1,30

Gypse Halite Sels de K et Mg

SA

LIN

ITE

DE

NS

ITE

La cristallisation d’un minéral se produit lorsque le Produit des Activités Ioniques de la solution atteint son produit de solubilité (PK) – saturation pour une espèce minérale donnée.

Dans le cas de l’eau de mer : •Le gypse précipitera en 1er lorsque 80% de la solution sera évaporée et que la concentration sera voisine de 130%0. •La halite lorsque 90% du liquide sera évaporé et que sa concentration sera proche de 300‰. •Les sels ultimes, lorsqu’on aura 98% de l’eau évaporée et une concen- tration supérieure à 350‰. L’évaporation d’une colonne d’eau de mer de 1000 mètres ne produira que environ : - 5 cm de carbonates - 50 cm de gypse - 12 mètres de Halite - 5 à 6 mètres d’un mélange de halite et de sels de K et de Mg

Précipitation:

potasse

Calcite (carbonate de calcium) associée à la

Dolomite (carbonate double de calcium et de magnésium)

CaCO3

(Ca,Mg)(CO3)2

Gypse (forme hydratée à 2 molécules d’eau)

(Sulfate de calcium)

Anhydrite (forme déshydratée), (sulfate de calcium)

Halite (sel gemme) (chlorure de sodium)

Carnallite (chlorure de potassium et de magnésium

hydraté)

KMgCl3,6H2O

NaCl

CaSO4,2H2O

CaSO4

KCl Sylvite (chlorure de potassium)

Cristallochimie La halite se présente sous forme d'un réseau cubique d'ions hexacoordonnés, c'est-à-dire que chaque anion est entouré de façon octaédrique par six cations, et réciproquement. Groupe de la halite

Groupe de la halite

Minéral Formule Groupe ponctuel Groupe d'espace

Carobbiite KF 4/m 3 2/m Fm3m

Griceite LiF 4/m 3 2/m Fm3m

Halite NaCl 4/m 3 2/m Fm3m

Sylvine KCl 4/m 3 2/m Fm3m

Villiaumite NaF 4/m 3 2/m Fm3m

Cristallographie • La structure de la halite est, pour l'essentiel, celle du chlorure de sodium.

• La halite cristallise dans le système cristallin cubique, avec le groupe d'espace

Fm3m (Z = 4 unités formulaires par maille conventionnelle)7.

• Paramètre de la maille conventionnelle : a = 5,6402 Å (volume de la maille V = 179,43 Å3)

• Masse volumique calculée = 2,16 g/cm3

• Cette structure correspond à deux sous réseaux cubiques à face centrée

d'ions, décalés de la moitié du côté de la maille selon l'une des directions des côtés de la maille.

• Les ions Na+ et Cl– ont chacun une coordinence 6 : n'importe quel ion Cl– est entouré de 6 ions Na+, formant un octaèdre autour du Cl–.

La halite de Salins-les-Bains

Salins-les-Bains se situe au sein du bassin salifère comtois, au cœur d'une reculée creusée par un des affluents de la Loue, la Furieuse. Le soubassement de la vallée est constitué de marnes à sel gemme, formées par l'évaporation d'une ancienne mer chaude et peu profonde lors du Keuper inférieur et moyen (Trias). Durant le Trias supérieur (215 millions d’années), une extension épicontinentale (mer triasique) de l’océan Paléo-Téthys qui recouvrait tout l'est de la France (partie intégrante du supercontinent Pangée) se retire et laisse une lagune peu profonde de saumure d'eau de mer qui par évaporation forme une très importante série évaporitique de plus de 100 m d'épaisseur. Le massif du Jura se forme il y a 35 millions d'années (Priabonien) par la compression et plissement exercée par les contraintes tectoniques alpines plus au Sud. Les niveaux évaporitiques remontent localement vers la surface selon la forme des plis et le mode d’érosion.

Les couches du trias sont traversées par des exsurgences et se chargeant en sel au contact de la roche évaporitique. Les eaux d’infiltrations se charge et se sature en sels et resurgit par résurgence et constituent les sources salées (saumures) de la région. Les reliefs jurassiens surplombant Salins-les-Bains sont composées de marnes à gypse du Keuper supérieur, de marnes du Lias et de calcaires du Bajocien.

D’après Scotese et Golonka, 1992)

La Halite de Salins-les-Bains vue au microscope électronique à balayage (MEB)

Saumure mise à l’évaporation afin de concentrer et de faire cristalliser les sels évaporitiques (ici la halite)

Vue d’un cristal de halite au MEB, issus du bac d’évaporation ci-contre. Noter la forme générale d’aspect octaédrique et les multiples chevrons de croissances en dendrite complexe participant la croissance progressive du cristal de sel,

© I. BOUR

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© I. BOUR

La Halite de Salins-les-Bains vue au microscope électronique à balayage (MEB)

Vue rapprochée des chevrons de croissances en dendrite complexe (sorte de macles nannométriques en fer de lance). Des dendrites de différentes phases de maturités sont visibles. Ces croissances en chevrons finissent par se rejoindre et fusionner, participant ainsi l’accroissement en volume du cristal,

© I. BOUR

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La Halite de Salins-les-Bains vue au microscope électronique à balayage (MEB)

Vues élargies de plusieurs amalgames de cristaux de halite. On peut aisément identifier les octaèdres dont la forme émoussé est à mettre en relation avec une croissance incomplète dans une saumure soumis à un brassage.

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La Halite de Salins-les-Bains vue au microscope électronique à balayage (MEB)

Vues d’octaèdres émoussés avec mise en évidence d’une croissance s’effectuant par les arrêtes avec un remplissage progressif du cristal vers l’intérieur par cristallisation successif de nannocristaux de halite dans une saumure riche en impureté (argile notamment).

© I. BOUR © I. BOUR

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Caractéristiques majeures des environnements évaporitiques:

• Abaissement du plan d’eau sous le niveau océanique mondial (Maiklem, 1971)

• Variations eustatiques autogénétiques = restriction et bilan hydrique local

Principaux paramètres contrôlant l’évolution des milieux évaporitiques Le développement de conditions évaporitiques dans un bassin, soit marin, soit continental est réglé par deux paramètres : - le degré d’isolement - l’aridité climatique

OCEAN

EVAPORATION

ENTREESEN SURFACE

PRECIPITATIONS

SORTIES SOUTERRAINES

APPORTSPHREATIQUES

APPORTSPHREATIQUES

MER

OUVERTE

Les conditions pour qu’un bassin évolue vers des conditions hypersalines = la perte d’eau due à l’évaporation supérieur aux apports d’eau douce et non compensées par les apports d’eau à salinité plus faible (réservoirs océaniques, marin ouvert ou lacustre).

1. Restriction des bassins (water inflow/water outflow) et l’endoréisme (absence d’exutoire),

2. Le degré d’aridité climatique à apports externes constants (déficit hydrique),

3. Le piégeage des solutions concentrées dans le bassin ou différentiel hydrostatique: (exemple de la méditerranée),

4. Taux évaporation des solutions (TE), inversement proportionnel à la concentration,

5. Augmentation de la densité (pycnocline-halocline).

Différentielhydrostatique

Ecoulementsouterrain

Apports superficielsepisodiques (tempêtes,grandes marées)

Apport superficielpermanent (chenaux,fractures, etc)

MEROUVERTE

BASSIN

EVAPORITIQUE

B A R R IE R E

SOLAR LAKE, SINAI

(EGYPTE)

KARA BOGHAZ GOL

(TURKMENISTAN)

LAC McLEOD

(AUSTRALIE)

LAC ASSAL

(DJIBOUTI)

A

B

Bassin

évaporitique

Mer ouverte

Influences

marines

Communications

de surfaceBarr ière perméable:

flèche sableuse,

cordon oolithique,

barrière récifale

Fracturation de la

barrière

Karst dans une

barrière carbonatée

Communications souterraines

Chenal

Restriction des bassins: connexions

- Carbonates calcite, aragonite, dolomite

- Sulfates gypse (CaSO4, 2H2O), anhydrite (CaSO4)

transformation diagénétique (perte en eau par enfouissement)

- Chlorures halite (NaCl), sylvite (KCl)

mélange des deux = sylvinite

Min

érau

x p

eu d

ur,

se

rayen

t fa

cile

men

t

L’existence de l’eau est prépondérante pour la formation des évaporites

Cas du Gypse

Cristallisation des minéraux évaporitiques

En surface et intérieur des saumures

Sur le fond SO4Ca 2H2O

Gypse saccharoïde, Aude

Gypses maclés en fer de lance, Aude

"Croûte" de gypse, Sebkha de Ouargla,

Sahara, Algérie

Gypses fibreuse, gypse filonienne

Gypse

Gypse saccharoïde, Aude

Gypses maclés en fer de lance, Aude

"Croûte" de gypse, Sebkha de Ouargla,

Sahara, Algérie

Gypses fibreuse, gypse filonienne

Gypse Se macle sous forme de chevron pour certain. Polarisation dans les teintes grisâtres. Aspect lenticulaire, cristaux allongés.

Forme lenticulaire liée aux impuretés du gypse

(MO, autres ions présents dans l’eau) :

Cristaux de gypse pur :

Evaporation de l’eau pompage

de l’eau par capillarité

Conditionne l’alimentation de la

croissance des cristaux de gypse

Climat chaud

……………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………. Gypse

Remontée capillaire de l’eau

H2O

Ca2+, SO42-

A: dolomie et gypse en rosettes en LM (LPA).

Gypse sélénite

Messinien de Sicile

Gypse pied d’alouette

Paléogène du

Bassin de Paris

Anhydrite sulfate anhydre CaSO4 ou anhydrite

Aspect transparent se présentant en paillettes, LPNA: teinte grisâtre ou violacée,

LPA: haute couleur de biréfringence (rougeâtre)

Légende : •Bleu : = Na+ •Vert = Cl-

Mise en valeur des polyhèdres de coordination au sein de la maille

Halite

Faciès cristallins de la Halite (NaCl)

Sylvite + Halite (KCl) (NaCl)

LES SELS POTASSIQUES

PALEOGENE DU BASSIN DE MULHOUSE (ALSACE)

Les différentes évaporites du bassin parisien

Le gypse du Tertiaire du bassin de Paris Le gypse s’est déposé en plusieurs couches à la fin de l’Eocène (Ludien)

Annexe

Extension des évaporites d’âge Eocène supérieur- Oligocène dans le rift ouest européen, les zones de plate- forme voisines (Bassin de Paris et d’Aquitaine) et la dépression de l’Ebre en Espagne

Le gypse du Trias, en bordure orientale du bassin de Paris

Le gypse du Trias de Lorraine :

Les gisements se situent dans les zones

d’affleurement du Muschekalk moyen

(Trias moyen)et surtout du Keuper (infé-

rieur et base du supérieur) qui est le

Trias supérieur.

Cristaux de gypse en fer de lance